具有高效電磁屏蔽和熱管理性能的石墨烯納米片復(fù)合材料

來(lái)源 | Carbon

01

背景介紹

隨著電子器件向小型化、集成化、高頻化的快速發(fā)展，在有限的空間內(nèi)不可避免地會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的電磁干擾(EMI)和熱量積累。這會(huì)大大降低了電子元件的可靠性，如果不及時(shí)消散，甚至可能引發(fā)故障或火災(zāi)。在這種情況下，采用具有優(yōu)異的電磁屏蔽性能和熱管理性能的材料來(lái)解決上述問(wèn)題是非常理想的方式之一。

含碳導(dǎo)熱填料由于其熱導(dǎo)率高，且填充在聚合物中的復(fù)合材料其重量輕、柔韌性好、可加工性好等優(yōu)點(diǎn)，成為當(dāng)前電磁干擾屏蔽和熱管理材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。石墨烯納米片(GNPs)具有優(yōu)異的導(dǎo)電性、優(yōu)異的導(dǎo)熱性，顯示出作為新材料的巨大潛力。但是由于GNP含量有限(<30 wt%)，石墨烯納米片/聚合物復(fù)合材料（GPCs）的電磁屏蔽性和熱導(dǎo)率保持在相對(duì)較低的水平，這限制了它們?cè)谙乱淮叨燃呻娮釉O(shè)備中的應(yīng)用。

高GNP含量(≥50 wt%)的GPC材料有望通過(guò)形成致密的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生具有強(qiáng)電磁屏蔽能力和良好導(dǎo)熱性。然而，通過(guò)傳統(tǒng)的熔體混合、溶液混合和原位生長(zhǎng)工藝將高GNP含量納入聚合物基體仍然是一個(gè)艱巨的挑戰(zhàn)，因?yàn)榧庸だщy和柔性差。因此，開(kāi)發(fā)一種易于處理和有效的方法來(lái)制備高GNP含量的GPCs是非常重要的。

02

成果掠影

近期，四川大學(xué)空天科學(xué)與工程學(xué)院鄢定祥教授和電氣工程學(xué)院的賈利川副研究員在具有電磁屏蔽和高導(dǎo)熱的復(fù)合材料研究取得新進(jìn)展。

該團(tuán)隊(duì)提出通過(guò)一種易于處理和可擴(kuò)展的聚合物滲透技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了高填充含量的石墨烯納米片聚氨酯復(fù)合材料(GNP/PU)復(fù)合材料，其中GNPs緊密地面對(duì)面接觸并沿平面方向排列。這種結(jié)構(gòu)的形成為GNP/PU復(fù)合材料中電子和聲子的傳輸提供了良好的通道。GNP/PU復(fù)合材料表現(xiàn)出較強(qiáng)的電磁干擾屏蔽和導(dǎo)熱性，屏蔽效果為67.6 dB (0.4 mm厚度)，導(dǎo)熱系數(shù)為41.60 W/(m·K)。

此外，GNP/PU復(fù)合材料被證明具有優(yōu)異的機(jī)械靈活性，電磁屏蔽穩(wěn)定性和熱管理能力。GNP/PU復(fù)合材料具有良好的綜合性能和高可加工性，在高集成電子領(lǐng)域的電磁干擾屏蔽和熱管理應(yīng)用方面具有很大的前景。

研究成果以“High-efficiency electromagnetic interference shielding and thermal management of high-graphene nanoplate-loaded composites enabled by polymer-infiltrated technique ”為題發(fā)表于《Carbon》。

03

圖文導(dǎo)讀

圖1.制備GNP/PU薄膜的示意圖。

圖2.(a) PU網(wǎng)的SEM圖像,(b) PU網(wǎng)的放大SEM圖像,(c)GNP的SEM圖像,(d) GNP涂層PU混合物的頂面SEM圖像,(d) GNP涂層PU混合物的表面SEM圖像,(f) GNP50薄膜的表面SEM圖像,(g-k)GNP60的照片。

圖3.(a)GNP50薄膜的SEM圖像,(b-c)GNP50薄膜的放大SEM圖像,(e,f)GNP含量為50wt%的r-GNP/PU薄膜的SEM圖像,(g) PU熔化和滲透到GNP層的過(guò)程示意圖。

圖4.(a) GNP/PU薄膜和r-GNP60薄膜的電導(dǎo)率,(b) GNP/PU薄膜和PU薄膜的EMI SE,(c) GNP/PU薄膜在10.3GHz和100μm厚度下的實(shí)驗(yàn)和理論EMI SE,(d) GNP/PU薄膜的SER和SEA,(e) 10.3 GHz時(shí)GNP/PU薄膜的功率系數(shù),(f) GNP/PU薄膜的EMI SE與樣品厚度,(g) 在10.3GHz下，不同樣品厚度的GNP/PU薄膜的SETotal、SER和SEA,(h) GNP/PU薄膜的EMI屏蔽機(jī)制示意圖,(j-k)顯示GNP60薄膜被放入特斯拉線圈系統(tǒng)后的EMI屏蔽效果的照片。

圖5.薄膜的電磁屏蔽性和熱管理性能示意圖。